Jülicher Supercomputer analysiert Schreibprozess von DVDs

Dieser variiert je nach verwendeter Legierung. Die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich wollen die physikalischen Hintergründe klären. Mit den Erkenntnissen könnten bessere Speichermaterialien mit längerer Haltbarkeit entwickelt werden.

Gemeinsam mit Forschern aus Finnland und Japan ergründen Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich die physikalischen Grundlagen der Datenspeicherung. Zwar gehört es zum digitalen Alltag, Daten auf einer DVD zu speichern, die Hintergründe sind den Forschern zufolge jedoch noch nicht restlos geklärt.

Die Schicht einer DVD, auf der die Informationen gespeichert werden, besteht aus einer polykristallinen Legierung verschiedener chemischer Elemente. Das Speichern erfolgt in Form von Bits, von denen jedes kaum 100 Nanometer groß ist. Die Legierung kann entweder eine ungeordnete, amorphe oder eine geordnete, kristalline Struktur annehmen. Der Übergang zwischen den beiden Phasen dauert nur wenige Nanosekunden und erfolgt per Laser beim Schreibprozess.

Ein Laserstrahl (Pfeil hv) stößt die Bewegung des zentralen Antimon-Atoms (links) an, das daraufhin seine Bindung zu zwei Nachbarn austauscht. Oben rechts: Die grüne Vektorsumme der drei kurzen roten Bindungen ändert sich. Unten: Eine Reihe solcher Prozesse führt von der amorphen (links) zur kristallinen Form (rechts; Bild: Forschungszentrum Jülich).

Je nach Medium besteht diese Legierung aus unterschiedlichen Elementen. Gängige DVD-RAMs oder Blu-ray-Discs enthalten Germanium (Ge), Antimon (Sb) und Tellur (Te). Sie werden nach den Anfangsbuchstaben der Elementsymbole GST genannt. Für eine DVD-RW wird in der Regel eine AIST-Legierung verwendet, die in kleinen Mengen Silber (Ag) und Indium (In) sowie ebenfalls Antimon und Tellur enthält.

„Obwohl beide Legierungsfamilien Antimon und Tellur aufweisen und scheinbar ähnlich sind, hat der Übergang zwischen den Phasen wesentliche Unterschiede“, erklärt Robert Jones vom Forschungszentrum Jülich. Seinem Team ist es nun erstmals gelungen, die Strukturen der beiden Phasen von AIST zu bestimmen und ein Modell für den schnellen Phasenübergang zu entwickeln. Die Berechnung des amorphen AIST ist den Wissenschaftlern zufolge die größte, die in dem Forschungsbereich bisher gemacht wurde.

Bei GST-Legierungen kristallisiert das amorphe Bit durch Keimbildung. Das heißt, dass sich im Inneren spontan Kristalle bilden, bis das Bit ausgefüllt ist. Sogenannte „ABAB“-Ringe aus zwei Germanium- oder Antimon- und zwei Tellur-Atomen können sich in den vorhandenen Hohlräumen bewegen und umordnen, ohne dass zu viele atomare Bindungen brechen.

In AIST-Legierungen verläuft der Phasenübergang von außen nach innen. In vielen kleinen Schritten richten sich die einzelnen Atome und damit das Gitter neu aus. Es kristallisiert, ohne dass Hohlräume und große Bewegungen notwendig sind. Angeregt durch den Laserstrahl tauschen die Antimon-Atome die Stärke der Bindung zu zwei benachbarten Atomen aus. Aus diesem Grund bezeichnen die Forscher das Modell als „Bindungsaustauschmodell“.

Für die Analyse kam neben experimentellen Daten und Röntgenspektren des japanischen Synchotrons SPring-8 der Jülicher Supercomputer Jugene zum Einsatz, der eine Spitzenrechenleistung von bis zu 1 Petaflops erreicht.

Etwa 4000 der rund 295.000 Prozessoren von Jugene waren über vier Monate ausgelastet, um die richtigen Modellbedingungen zu bestimmen. Die Forscher erhoffen sich von ihrem Projekt ein tieferes theoretisches Verständnis der Vorgänge beim Beschreiben einer DVD. Dieses kann helfen, gezielt bessere phasenwechselnde Materialien zu entwickeln, die Speichermedien mit größerer Kapazität, längerer Haltbarkeit und geringerer Zugriffszeit ermöglichen.

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